中国科学院分子植物科学卓越创新中心受邀为 Cell 杂志撰写作物从头驯化评论文章

来源: 生物360 / 作者: 2021-04-08
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随着基因组编辑技术的飞速发展,野生植物的从头驯化正在成为创制新作物的重要策略。利用这种方式,近几年来,国内外多个团队开展了对野生番茄、灯笼果等野生植物的从头驯化研究(Lemmon et al., 2018; Zs?g?n et al 2018; Li et al., 2018)。近日,中科院遗传发育研究所李家洋院士团队联合国内多个合作团队,利用基因组编辑技术在四倍体野生稻的从头驯化研究中取得重大进展 (Yu et al., 2021)。应 Cell 杂志邀请,中科院分子植物科学卓越创新中心朱新广研究员和朱健康研究员针对作物从头驯化的由来、现状及巨大应用前景于 3 月 4 日发表了评论文章 “Precision genome editing heralds rapid de novo domestication for new crops”(Zhu 和 Zhu 2021)。

野生植物的驯化对人类文明的发展至关重要。在野生植物驯化过程中,产量、质量、栽培方式相关的性状受到选择;然而,这种传统驯化过程通常需要上百年甚至上千年的时间。尽管这种传统的作物驯化方式依然是创造新作物的重要途径,现代基因组编辑技术尤其是 CRISPR-CAS9 技术为野生植物的快速从头驯化提供了可能。在李家洋院士团队及合作团队的这项研究中,其驯化目标是多倍体野生稻高秆野生稻(Oryza alta)。该研究攻克了野生稻从头驯化所需的复杂多倍体基因组测序、高效遗传转化体系及基因组编辑等技术,成功改造了该野生稻的株型、粒型、开花期等特征,表明利用基因组编辑方法,将野生稻改造为一个成功的水稻品种,从理论及技术上是完全可行的,为未来保障粮食安全提供了一条全新方案。

与传统作物驯化相比,野生植物的从头驯化代表着一条全新的利用植物界大量遗传及表型变异的新策略。利用野生植物的从头驯化,人类可以以特异植物资源为起始材料,利用基因组编辑技术将与驯化改良相关的性状快速整合,有效避免了传统驯化所需的漫长的杂交、筛选过程,将驯化的时间从上百年甚至上千年缩短到 10 年左右,从而极大拓展了人类利用植物界丰富的遗传变异的能力(图一)。利用这种策略,人类不仅可以创造新型粮食、油料、纤维等作物,还可以用于创造全新类型的作物,从而为人类当前面临的粮食、能源、环境危机提供全新方案。比如,为降低或者消除全球的温室效应,可以创制具有高生物量生产能力的能源植物或者具有超强的地下碳储能力的碳汇作物;为解决土地资源缺乏、极端生境下作物生产问题,可以创制适于垂直农业种植的新型果蔬等。

要有效利用野生植物的从头驯化这条策略,需要一系列生物技术方面的创新。可喜的是,在这些领域当前都有很多进展,这包括更加精准高效的基因组编辑及碱基编辑器(Chen et al., 2019; Lu et al., 2020)、可以绕过愈伤组织诱导的遗传转化技术(Maher et al., 2020)、短周期植物快速培养方法等(Watson et al., 2018)。可以预见,随着这些技术的进一步成熟及优化,以及人类对自然界绚丽多彩的植物功效认识的增强,大量从头驯化的具有特异功效的全新作物将被创制出来,并在满足人类社会日益提高的各类需求中起越来越大的作用。

论文链接:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00154-9

文献:

1. Lemmon, Z.H., Reem, N.T., Dalrymple, J., Soyk, S., Swartwood, K.E., Rodriguez-Leal, D., Van Eck, J., and Lippman, Z.B. (2018). Rapid improvement of domestication traits in an orphan crop by genome editing. Nat Plants 4, 766-770.

2. Zs?g?n, A., ?ermák, T., Naves, E.R., Notini, M.M., Edel, K.H., Weinl, S., Freschi, L., Voytas, D.F., Kudla, J., and Peres, L.E.P. (2018). De novo domestication of wild tomato using genome editing. Nat Biotechnol 36, 1211-1216

3. Li, T., Yang, X., Yu, Y., Si, X., Zhai, X., Zhang, H., Dong, W., Gao, C., and Xu, C. (2018). Domestication of wild tomato is accelerated by genome editing. Nat Biotechnol 36, 1160-1163.

4. Yu, H., Lin, T., Meng, X., Du, H., Zhang, J., Kou, L., Liu, G., Chen, M., Jing, Y., Li, X., et al. (2021). Route for de novo domestication of wild allotetraploid rice. Cell (In press).

5. Chen, K., Wang, Y., Zhang, R., Zhang, H., and Gao, C. (2019b). CRISPR/Cas genome rditing and precision plant breeding in agriculture. Ann Rev Plant Biol 70, 667-697.

6. Lu, Y., Tian, Y., Shen, R., Yao, Q., Wang, M., Chen, M., Dong, J., Zhang, T., Li, F., Lei, M., et al. (2020). Targeted, efficient sequence insertion and replacement in rice. Nat Biotechnol 38, 1402-1407.

7. Watson, A., Ghosh, S., Williams, M.J., Cuddy, W.S., Simmonds, J., Rey, M.D., Asyraf Md Hatta, M., Hinchliffe, A., Steed, A., Reynolds, D., et al. (2018). Speed breeding is a powerful tool to accelerate crop research and breeding. Nat Plants 4, 23-29.

8. Maher, M.F., Nasti, R.A., Vollbrecht, M., Starker, C.G., Clark, M.D., and Voytas, D.F. (2020). Plant gene editing through de novo induction of meristems. Nat Biotechnol 38, 84-89.

9. Zhu XG and Zhu JK (2021). Precision genome editing heralds rapid de novo domestication for new crops. Cell (In press).

图一、人类利用植物遗传变异的两条主要途径。

在传统的作物驯化过程中,具备作物驯化及改良必需特征的野生植物(低落粒性、合适开花期等)被 “筛选” 出来作为起始植物材料,而其他特殊性状(高产、高质量、抗旱、抗盐等)则通过育种方法或者基因组编辑方法整合进来。在野生植物的从头驯化过程中,具有特殊性状的野生植物被选作起始植物材料,将作物驯化及改良相关的性状利用基因组编辑方法整合进来(图引自 Zhu 和 Zhu,2021)。

 

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